淺談真空電子束焊接技術的應用

羅海波

(西安航天動力機械廠,陜西西安 710025)

淺談真空電子束焊接技術的應用

羅海波

(西安航天動力機械廠,陜西西安 710025)

本文簡單介紹了真空電子束焊的基本原理,為保證在實際生產中的真空電子束焊接質量,從產品結構和材料方面對產品的焊接性、易出現的氣孔、焊偏、裂紋等焊接缺陷進行了分析,通過合理的選擇電子束工藝參數和裝配方法,使產品的焊接質量得到了有效控制。

真空電子束焊接 工藝參數 焊接質量

真空電子束焊是利用定向高速運動的電子束流撞擊工件使動能轉化為熱能而使工件熔化，形成焊縫。電子束焊接技術因其高能量密度和優良的焊接質量，率先在國內航空工業得到應用。本文針對電子束焊接在生產中遇到的某載重卡車車橋承載大、疲勞強度高進行了分析，解決了產品的焊接質量問題。

1 產品結構及對焊縫的質量要求

橋殼中段是由16Mn板材沖壓后焊接而成，軸頭是30Mn2鑄件加工而成，中段與軸頭的焊縫是車橋主要受力焊縫，要求很高的疲勞強度。因此設計為真空電子束焊接結構。這里采用的是止口式嵌入結構，這種結構的目的在于需要達到以下要求：(1)實施熔透焊時焊縫不會低于母材。(2)將電子束焊常有的根部釘尖缺陷引入到不受力的內襯環上。中段與軸頭的焊縫根據在垂直彎曲載荷下應力狀態的不同，分為中性區、壓應力區、張應力區，張應力區不允許存在咬邊，壓應力區和中性區咬邊深度≤0．2mm。(3)不允許表面可見氣孔。(4)內部焊縫需100%超聲波檢驗。(5)不允許裂紋、未熔合、未焊透。(6)按圖1示，車橋要承受最大載荷P1＝320KN，最小載荷P2＝20KN，頻率f＝5Hz，疲勞次數≥120萬次。

2 產品材料、結構的焊接性分析

車橋的真空電子束焊縫具有很高的質量要求，主要問題如下。

2.1 裂紋

橋殼中段材料為16Mn，軸頭材料為30Mn2，從材料的成份可見，這兩種低合金鋼均有較高的碳當量，尤其30Mn2超過了0．5，在焊接冷卻過程易形成淬火組織，使焊接區硬度提高，塑性下降，易出現裂紋。

2.2 氣孔

產生氣孔的主要原因有：(1)母材中溶解的氣體在凝固過程中來不及逸出；(2)零件毛坯中原來存在的氣孔缺陷和難于清理的油污被重新卷入焊縫；(3)深熔深焊接凝固過程中體積收縮引起的收縮孔。

圖1 車橋結構示意圖

2.3 焊偏

焊縫的有效深度為13．6mm，釘尖缺陷引出深度最佳為3～5mm，焊縫總的熔深為17mm～19mm。電子束焊縫通常是很窄的，橋殼批生產加工中零件對接端面的垂直精度要求并不是很高，稍微對不正焊縫就會產生焊偏。

3 產品的電子束焊接工藝

3.1 焊前清理

電子束焊熔深大，產品17～19mm的焊縫深度可一次焊透，無需開坡口，加焊絲。由于產品零件經過沖壓、焊接、機加等多道工序，零件表面存在大量的油污、鐵銹，對于束焊質量會產生很大的影響，同時，焊接產生的大量油污蒸汽會對真空室造成污染。因此，電子束焊前，應嚴格對焊接區域附近進行清理，具體步驟如下。

(1)對軸頭采用汽油進行整體清洗，去除油污。(2)對橋殼中段對接面及兩側進行拋光除銹。(3)裝配前焊縫對接面及兩側用無水酒精擦拭。

(4)清理完畢后，應立即裝配產品，置入真空室內抽真空保護。

3.2 產品裝配方式

電子束焊接是利用小孔效應成型，為防止焊漏、縮孔等缺陷，對接裝配間隙的要求十分嚴格，通常不大于0．1mm。車橋的這種止口嵌入式焊縫結構還要求內襯環與零件內孔的配合間隙不大于0．5mm。

為適應批量生產高效、方便的要求，軸頭與中段的裝配連接我們采用的是夾具連接方式。

產品的這種拉緊式裝配，可以給接頭預緊力，焊接時抵消部分焊接收縮時所受的拉應力，降低裂紋的產生幾率。另外，足夠大的預緊力，可以防止焊縫在焊接過程中受熱張開，從而省去電子束焊定位的工序。這里要求裝配預緊力矩不小于30Kg·m。

表1 焊接效果對比

3.3 工藝參數的選擇

我們使用的真空電子束焊機，是高真空(2×10-4Tr)中壓(60KV)型焊機，可編程自動控制焊接過程。電壓值60KV不可調，其余主要設置的焊接參數如下。

3.3.1 工作距離

車橋焊接時，電子槍位于焊縫正上方，實施平焊。有效工作距離范圍是：50mm～400mm。在電子束焊接過程中，焊縫金屬易揮發和電離，產生的金屬蒸汽和飛濺可能進入到電子槍中，對槍體污染或造成高壓擊穿，為防止金屬蒸汽或離子進入電子槍中，工作距離應選擇大一些。依據經驗，該產品工作距離設定在250mm。

3.3.2 聚焦電流

聚焦電流是調節電子束焦點位置的。焦點位置對于焊縫的成型深寬比影響很大，對于鋼材產品大于10mm焊接熔深，通常采用下焦點法聚焦。為實現17mm左右的熔深，同時控制有效焊縫的寬度在2mm以上，依據經驗將束流焦點設在焊縫表面下5mm。

3.3.3 掃描方式

電子束可以通過掃描方式控制束流的能量密度，從而控制焊縫成型。軸頭材料碳當量較高，易造成裂縫缺陷，在保證產品焊透，同時控制熱輸入，應選擇能量密度偏低的圓形掃描方式。此方式可以使小孔呈圓柱形下潛，焊接受熱區域較大，整個焊縫熔寬接近，避免液態金屬凝固過快，可防止裂縫的生成。

3.3.4 焊接速度和焊接電流的匹配

我們利用產品模擬焊接試樣分別進行了多組低速小電流和高速大電流的試驗對比，結果如表1。

可見低速小電流的焊接效果非常理想，可以達到焊縫質量控制要求。

3.4 焊縫整形

為避免應力集中，車橋表面焊縫的要求是很高的，必須采用散焦小束流的方式進行外觀焊縫整形焊接，使焊縫圓滑美觀。

4 補焊

焊縫質量經超聲檢驗后，如不滿足車橋質量控制標準，可對焊縫進行全長或局部電子束重熔補焊，消除缺陷。補焊時為保證溶深，應將缺陷處的焊縫余高打磨平。

5 工藝實施效果

(1)利用制定的焊接工藝進行了一萬多件車橋的焊接，經100%超聲檢測，只有8．2%車橋一次焊接不合格，產品質量穩定，完全能夠滿足批量生產焊接的要求。

(2)對每1000根車橋抽檢進行疲勞強度的測試，均能滿足要求。

6 結語

通過對產品結構及材料認真的分析，利用焊接模擬試樣，確定了合理的焊接參數，采取焊接前認真清理、拉緊式裝配等措施，應用真空電子束焊接技術，成功焊接了載重車橋，焊縫內在質量滿足要求，表觀焊縫成型美觀，為真空電子束焊接在車橋批量生產中的應用奠定了基礎。

參與文獻:

[1]中國機械學會焊接學會.焊接手冊[M].第二卷.北京:機械工業出版社,2004.

羅海波(1967-),男,漢族,遼寧海城人,職稱:高級技師,本科學歷,研究方向:主要從事高能束焊。